技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及的是一種激光多普勒頻移干涉型語音監(jiān)聽方法和設(shè)備，以及音頻聲源定位方法。

背景技術(shù)：

激光音頻解析技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，其原理在實驗研究上已日趨成熟，漸漸轉(zhuǎn)入了實際應(yīng)用，市面上也開始出現(xiàn)相應(yīng)的產(chǎn)品。在20世紀時，國外就應(yīng)經(jīng)對該技術(shù)進行了研究。在海灣戰(zhàn)爭中，美國就曾使用該技術(shù)監(jiān)聽到汽車座上伊拉克將領(lǐng)對話的內(nèi)容。

目前，國內(nèi)在這項技術(shù)的研究方法主要集中在光杠桿法(反射式光斑移動法)和半導(dǎo)體激光自混頻干涉法進行音頻解析。采用光杠桿法(反射式光斑移動法)對于外界環(huán)境的干擾要求相對比較小，探測距離遠，但是采用該方法探測的精度低?；诎雽?dǎo)體激光自混頻干涉的方法具有裝置結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)整方便,體積小等優(yōu)點，但是由于自混頻過程存在干涉對比度低、信號穩(wěn)定性相對較低、探測距離太近等缺點。。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種激光多普勒頻移干涉型的語音監(jiān)聽方法和裝置，以及一種激光反射聲源定位方法，其有別于現(xiàn)有的光杠桿(反射式光斑移動)和半導(dǎo)體激光自混頻干涉裝置，通過激光反射來無接觸檢測監(jiān)聽聲源，提高信噪比，從而到達更高的探測精度。

為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種語音監(jiān)聽方法，包括：

獲取參考光和測量光在光電傳感器上的干涉混頻信號；

對所述干涉混頻信號進行處理得到包括正比于總光強的直流分量和正弦型分量的中間信號，所述正弦型信號的振幅正比于參考光和測量光的強度，相位中包含多普勒相位；

將所述中間信號與參考信號相減后，還原成聲音信號。

優(yōu)選的，將所述中間信號與參考信號相減后，還包括通過帶低通濾波增益可調(diào)放大電路和差分電路對信號進行放大濾波的步驟。

優(yōu)選的，所述還原聲音信號的步驟包括對相減后的信號依次進行歸一化處理、反余弦函數(shù)變換和抽樣處理。

一種語音監(jiān)聽設(shè)備，包括探測器和與所述探測器連接的控制器，所述探測器包括激光器和傳遞所述激光器發(fā)射的激光的光路，激光在所述光路中依次經(jīng)過第一反射鏡、第二反射鏡和分光片，所述分光片將激光分成反射光和透射光，所述反射光經(jīng)分光鏡返回，經(jīng)所述分光片進入光電傳感器；所述透射光經(jīng)透鏡組聚焦在目標上，所述目標具有能夠反射光的功能。

優(yōu)選的，所述透鏡組為焦距可調(diào)的透鏡組，其依次包括光軸相互重合的第一平凸鏡、第二平凸鏡和雙凸鏡，所述第一平凸鏡和第二平凸鏡相向設(shè)置，所述第二平凸鏡與所述雙凸鏡之間的距離為15～17cm。

進一步，所述分光鏡的反射率和透射率的比例為1:9，所述分光片的反射率和透射率的比例為1:1。

一種激光反射聲源定位方法，包括：

同時獲取第一激光反射信號和第二激光反射信號；

對所述第一激光反射信號進行最大值檢測，根據(jù)檢測到的最大值產(chǎn)生閾值；

根據(jù)所述閾值，對該路激光反射信號進行過閾值峰檢測得到第一中間信號；

根據(jù)所述第一中間信號和第二激光信號進行區(qū)間劃分，生成若干個數(shù)據(jù)段；

對所述數(shù)據(jù)段進行中心值加權(quán)平均平滑后進行廣義互相關(guān)，由相關(guān)峰的坐標值得到時延；

對所述數(shù)據(jù)段產(chǎn)生的時延進行加權(quán)平均得到偏離值；

根據(jù)所述偏離值的正負得到聲源的偏離方向，以及根據(jù)所述偏離值的數(shù)值大小計算聲源的位置偏移量。

進一步，所述對所述數(shù)據(jù)段進行中心值加權(quán)平均平滑后進行廣義互相關(guān)，由相關(guān)峰的坐標值得到時延的步驟包括使用倒譜分析的廣義互相關(guān)時延估計算法，通過求兩路信號倒功率譜之間的互相關(guān)，并在一定的頻域給予一定加權(quán)，突出相關(guān)的信號部分而抑制噪音干擾部分，再反變換到時域得到互相關(guān)函數(shù)，計算出信號之間的時延。

本發(fā)明通過激光反射來無接觸檢測聲源引起不同位置的振動情況，運用多種手段實現(xiàn)信號采集和處理，解調(diào)出聲源振動信號，從而確定聲源的位置及聲源播放內(nèi)容。相較于現(xiàn)有的技術(shù)，所述的激光多普勒語音監(jiān)聽方法和裝置使用削弱參考光匹配信號光的光強；提高兩束光干涉的對比度，在探測光路增加焦距可調(diào)節(jié)的透鏡組解決激光遠距離傳輸因發(fā)散角導(dǎo)致光斑變大，實現(xiàn)探測臂長為數(shù)十米甚至幾百米；電路消噪上使用光電傳感器探測激光光功率抖動，通過差分電路降低激光噪聲，提高信噪比，從而到達更高的探測精度。

另外，本發(fā)明還具有以下有益效果：

1.參考光使用1：9(反射：透射)的分光鏡作為反射鏡，達到平衡參考光和探測光光強的目的，大大提高干涉條紋的對比度，提高信噪比，提高系統(tǒng)的測量精度；

2.采用光闌在頻譜面低通濾波，減少激光光噪聲干擾，同時防止其他光的干擾，提高系統(tǒng)信噪比；

3.采用帶增益可調(diào)放大電路的差分電路降低激光噪聲對系統(tǒng)的干擾，進一步提高系統(tǒng)信噪比；

4.運用虛擬儀器概念和技術(shù)，綜合高速專用數(shù)據(jù)采集卡、Labview軟件編程、Matlab專用工具箱的運用，實現(xiàn)高精度A/D轉(zhuǎn)換、利用多軟件混合編程技術(shù)實現(xiàn)強大、靈活的信號處理功能，符合儀器發(fā)展潮流和趨勢。

5.采用透鏡組聚焦和光路可逆原來解決激光發(fā)散角導(dǎo)致光斑變大的問題，并利用透鏡組焦距和透鏡距離之間的關(guān)系實現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)，實現(xiàn)不同探測距離聚焦調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的激光多普勒頻移干涉型語音監(jiān)聽設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的激光多普勒頻移干涉型語音監(jiān)聽設(shè)備一實施例中的光路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2中透鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是采集信號的差分放大電路，電路主要由帶低通濾波的增益可調(diào)放大電路和差分電路兩部分組成；

圖5是光電傳感器采集到的信號示意圖；

圖6是經(jīng)過差分放大電路處理后的信號圖，與圖5進行對比可以知道，光電傳感器探測到的信號經(jīng)過差分電路處理過之后，波形中大量的激光噪聲引起的毛刺被消除，得到一個非常平滑的波形。

圖7是labview程序濾波前后的信號波形對比圖；

圖8是聲音還原成聲音信號的示意圖圖；

圖9是還原成聲音信號的WAV文件的波形圖；

圖10是本發(fā)明所述激光反射聲源定位方法的示意圖；

圖11是聲源定位方法的示意圖；

圖12是聲源定位程序的互相關(guān)運算示意圖，其中圖(a)兩路采集的聲音信號，圖(b)互相關(guān)后的波形表；

圖13是Labview程序設(shè)計框圖，經(jīng)過差分電路處理的信號，采用數(shù)據(jù)采集卡進行采集，通過Labview程序的NI-DAQ模塊調(diào)用2個探測器共計2個通道的信號，生成離散的信號，再使用Labview軟件里面的控件結(jié)合Matlab言語進行濾波、聲音識別和聲源定位。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步說明：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例，對本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

本發(fā)明實施例提供一種激光多普勒干涉型語音監(jiān)聽方法，以實現(xiàn)運用激光拍頻的方法探測由于聲音傳播引起的玻璃窗輕微振動，從探測的信號中提取玻璃窗振動引起的激光多普勒拍頻變化，對信號進行解調(diào)和濾波處理，最后還原出語音信息。該方法包括：

步驟S101：獲取參考光和測量光在光電傳感器上的干涉混頻信號；

步驟S102：對所述干涉混頻信號進行處理得到包括正比于總光強的直流分量和正弦型分量的中間信號，所述正弦型信號的振幅正比于參考光和測量光的強度，相位中包含多普勒相位；

步驟S103：將所述中間信號與參考信號相減后，還原成聲音信號。

其中，將所述中間信號與參考信號相減后，還包括通過帶低通濾波增益可調(diào)放大電路差分電路對信號進行過濾的步驟。所述還原聲音信號的步驟包括對相減后的信號依次進行歸一化處理、反余弦函數(shù)變換和抽樣處理。

此外，本發(fā)明實施方式還提供了一種語音監(jiān)聽設(shè)備，包括探測器和與所述探測器連接的控制器，所述探測器包括激光器和傳遞所述激光器發(fā)射的激光的光路，激光在所述光路中依次經(jīng)過第一反射鏡、第二反射鏡和分光鏡，所述分光片將激光分成反射光和透射光，所述反射光經(jīng)分光鏡返回，經(jīng)所述分光片進入光電傳感器；所述透射光經(jīng)透鏡組聚焦在目標上。

所述透鏡組為焦距可調(diào)的透鏡組，其依次包括光軸相互重合的第一平凸鏡、第二平凸鏡和雙凸鏡，所述第一平凸鏡和第二平凸鏡相向設(shè)置，所述第二平凸鏡與所述雙凸鏡之間的距離為15～17cm。所述分光鏡的反射率和透射率的比例為1:9，所述分光片的反射率和透射率的比例為1:1。

下面結(jié)合監(jiān)聽方法和設(shè)備通過一實施方式詳細論述本發(fā)明的精神和實質(zhì)。

如圖2和圖8所示，圖2中以邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)為基本框架，測量光軸與振動方向平行。激光束通過1:1分光片M4后經(jīng)分光鏡反射和折射后一分為二；①反射光(參考光)經(jīng)過1:9(R：T)分光鏡M3反射削弱90％后沿原光路返回，透過1:1分光片M4達到OPT101光電傳感器2的光敏面，②透射光(測量光)經(jīng)組合透鏡聚焦在玻璃窗面，玻璃窗反射光攜帶聲音信息沿原光路返回，經(jīng)1:1分光鏡反射后到達OPT101光電傳感器的光敏面。這樣，參考光和測量光在OPT101光電傳感器2的光敏面上實現(xiàn)干涉混頻。

激光監(jiān)聽方法的流程如下：

第一步：給玻璃窗一個微小的振動信號，玻璃窗面振動位移x(t)與多普勒相位的關(guān)系為

第二步：參考光和探測光同時照射在OPT101傳感器上，因為該傳感器的電壓輸出與入射光的強度成正比，即與光學(xué)的電場的平方成正比，這里，設(shè)t時刻的參考光和探測光的光學(xué)電場為

其中是f激光頻率，和是初相位，玻璃窗面振動引起的相位變化。

檢測器的輸出總是正比于總電場的平方

第三步：對上式作三角變換，因為光學(xué)頻率遠大于光學(xué)拍信號，在檢測器輸出中不能清楚的觀察到此頻率因此可以略去，整理后得：

第四步：OPT101探測器將同時檢測到兩個量：一個正比于總光強的直流分量，另外一個是振幅正比于E₁E₂或(I₁和I₂是兩束光的強度)、相位中包含多普勒相位的正弦型信號，其中多普勒相位由玻璃窗面振動位移x(t)決定。

第五步：由圖2可知，OPT101傳感器1將檢測到激光的直流光強和光噪聲，OPT101傳感器2則檢測到直流光強、多普勒相位余弦調(diào)制的光信號和光噪聲。

OPT101光電傳感器1輸出的光電信號U1為

U₁(t)＝a+bN(t)

OPT101光電傳感器2輸出的光電信號U2為

式中a，c是由傳感器及前置放大電路引起的直流分量；b，d為電壓增益；為振動引起的多普勒相位；為光程差導(dǎo)致的相位差，N(t)為激光光噪聲。

當(dāng)調(diào)節(jié)電壓增益倍數(shù)b＝d時，上述的兩式相減，得

達到抑制激光光噪聲影響，提高采集信號信噪比和系統(tǒng)靈敏度的目的。

所設(shè)計的電路主要由帶低通濾波的增益可調(diào)放大電路和差分電路兩部分組成原理圖如圖4所示。

電路主要采用LM348四運放芯片，可以改變可變電阻的阻值實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，其放大電路前采用了一級RC低通濾波，其截止頻率為

這個截止頻率既保留了振動信號中人耳敏感頻率又可以防止放大電路中因為增益不一致而產(chǎn)生自激振蕩從而導(dǎo)致的相位不同。實驗結(jié)果表明，如果出現(xiàn)相位不同的現(xiàn)象，其弊端在于使得兩個OPT101光電傳感器輸出的電信號的差分不能有效抑制光噪聲。這里通過在放大電路前采用一級RC低通濾波很好地消除了因自激振蕩導(dǎo)致的相位不同的現(xiàn)象，從而真正達到用差分電路抑制光噪聲影響的目的，效果如圖5、圖6所示。

第六步：在聲音還原程序上，Labview聲音還原程序中對濾波后的信號進行歸一化處理，將中的直流分量剔除，然后對電壓增壓系數(shù)進行歸一后得到：

對上式進行反余弦函數(shù)變換后，結(jié)合式并進行抽樣后得到：

由此可得到數(shù)字信號I(i)，該信號與振動信號成線性關(guān)系，可以直接保存為wav格式文件，存儲探測到得聲音信號。

圖8是還原聲音WAV文件的波形圖，從圖中的波形圖可以看出，系統(tǒng)探測到字符聲音時就會產(chǎn)生一個明顯的信號波包；通過對比有聲音和安靜時的振動波形，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的聲音還原信噪比很高。

本發(fā)明的激光多普勒干涉型語音監(jiān)聽裝置對于振動源的振動強度要求很低，只要大于0.1um的振幅振動都能檢測出來；另外，探測器的最遠探測距離最多可以達到20m。表1是該發(fā)明的主要技術(shù)指標參數(shù)。

實施例2

本發(fā)明實施例提供一種激光反射聲源定位裝置，以實現(xiàn)通過激光光程差對聲源進行定位，其定位原理模型圖如圖10所示，采用兩個探測對兩個不同的玻璃窗進行探測，根據(jù)聲音傳播到兩個玻璃窗的光程差建立聲源定位的模型。

本發(fā)明實施例提供的一種激光反射聲源定位方法，包括：

步驟S201：同時獲取第一激光反射信號和第二激光反射信號；

步驟S202：對所述第一激光反射信號進行最大值檢測，根據(jù)檢測到的最大值產(chǎn)生閾值；

步驟S203：根據(jù)所述閾值，對該路激光反射信號進行過閾值峰檢測得到第一中間信號；

步驟S204：根據(jù)所述第一中間信號和第二激光信號進行區(qū)間劃分，生成若干個數(shù)據(jù)段；

步驟S205：對所述數(shù)據(jù)段進行中心值加權(quán)平均平滑后進行廣義互相關(guān)，由相關(guān)峰的坐標值得到時延；

步驟S206：對所述數(shù)據(jù)段產(chǎn)生的時延進行加權(quán)平均得到偏離值；

步驟S207：根據(jù)所述偏離值的正負得到聲源的偏離方向，以及根據(jù)所述偏離值的數(shù)值大小計算聲源的位置偏移量。

其中，所述對所述數(shù)據(jù)段進行中心值加權(quán)平均平滑后進行廣義互相關(guān)，由相關(guān)峰的坐標值得到時延的步驟包括使用倒譜分析的廣義互相關(guān)時延估計算法，通過求兩路信號倒功率譜之間的互相關(guān)，并在一定的頻域給予一定加權(quán)，突出相關(guān)的信號部分而抑制噪音干擾部分，再反變換到時域得到互相關(guān)函數(shù)，計算出信號之間的時延

下面結(jié)合一具體實施方式對本發(fā)明的精神和實質(zhì)進行詳細說明。

設(shè)聲音的傳播速度為V_S，聲音傳到玻璃窗的時間差為τ，偏離量為A(以向上偏為正)，可以得到關(guān)系式為：

由這個三個式子求解得到偏離量A為：

聲源定位程序如圖11所示，其中先對采集到的數(shù)據(jù)的其中一路進行最大值檢測，根據(jù)最大值產(chǎn)生一個閾值，并對該路信號進行過閾值峰檢測，兩組信號就以得到的峰值的坐標為中心左右按一定的區(qū)間進行劃分，生成幾個數(shù)據(jù)段。生成的每個數(shù)據(jù)段采用中心值加權(quán)平均平滑后進行廣義互相關(guān)，由相關(guān)峰的坐標計算出時延τ。把所有片段得到的時延進行加權(quán)平均，由其正負得到聲源的偏離方向，根據(jù)其數(shù)值大小計算位置偏移量。

聲源定位程序應(yīng)考慮聲音在房間中存在混響的情況，故采用帶倒譜分析的廣義互相關(guān)時延估計算法，通過求兩路信號倒功率譜之間的互相關(guān)，并在一定的頻域給予一定加權(quán)，突出相關(guān)的信號部分而抑制噪音干擾部分，再反變換到時域得到互相關(guān)函數(shù)，計算出信號之間的時延，互相關(guān)結(jié)果圖如圖12所示。

從圖12是在無風(fēng)安靜環(huán)境進行的定位實驗，從圖12(b)可知聲源定位的互相關(guān)運算后的峰值非常尖陡，受干擾較少，效果很顯著。

圖13是Labview程序設(shè)計框圖，經(jīng)過差分電路處理的信號，采用數(shù)據(jù)采集卡進行采集，通過Labview程序的NI-DAQ模塊調(diào)用2個探測器共計2個通道的信號，生成離散的信號，再使用Labview軟件里面的控件結(jié)合Matlab言語進行濾波、聲音識別和聲源定位。

應(yīng)該理解，本發(fā)明并不局限于上述實施方式，凡是對本發(fā)明的各種改動或變型不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動和變型屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意味著包含這些改動和變型。